羅孝兵，王建勇，藍(lán) 彥，鄭水華

（1．國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇省南京市 211116；2．新安江水電廠，浙江省建德市 311600）

一種電渦流式擺度監(jiān)測傳感器溫度綜合補(bǔ)償方法

羅孝兵1，王建勇2，藍(lán) 彥1，鄭水華1

（1．國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇省南京市 211116；2．新安江水電廠，浙江省建德市 311600）

發(fā)電機(jī)組擺度監(jiān)測傳感器要求越來越趨向一體化和小型化，現(xiàn)在主要使用的電渦流式擺度監(jiān)測傳感器，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償才能達(dá)到準(zhǔn)確測量。本文提出了一種適用于電機(jī)組擺度監(jiān)測使用的一體化電渦流位移傳感器的溫度綜合補(bǔ)償方法，其在線性校正網(wǎng)絡(luò)中增加一個(gè)溫度綜合補(bǔ)償網(wǎng)路，能夠?qū)鞲衅魅販囟蕊h移進(jìn)行補(bǔ)償，其特點(diǎn)是使用器件極少，方法簡單巧妙。

溫度漂移；綜合補(bǔ)償；電渦流；擺度監(jiān)測

0 引言

目前市場上實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組擺度監(jiān)測主要采用電渦流式位移傳感器，這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)非接觸式測量、靈敏度高、響應(yīng)快，但是其缺點(diǎn)是容易受到溫度的影響。

本文根據(jù)發(fā)電機(jī)組擺度監(jiān)測傳感器實(shí)際應(yīng)用要求，在開發(fā)一體化、小型化的電渦流式擺度監(jiān)測傳感器過程中，巧妙的在線性調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中增加溫度綜合補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，既達(dá)到綜合溫度補(bǔ)償效果，又實(shí)現(xiàn)傳感器一體化、小型化之目的。

1 電渦流傳感器溫漂因素

電渦流傳感器是載流線圈與被測金屬體的統(tǒng)一體，根據(jù)克西荷夫定律，可以推導(dǎo)出線圈受金屬導(dǎo)體影響后的等效阻抗Z為[1]：

由此得等效電感為：

等效損耗電阻為：

其溫度穩(wěn)定性主要取決于以下幾個(gè)因素：

（1）傳感器探頭電學(xué)特性的溫度漂移，它主要使探頭線圈電阻R1變化，其將引起損耗電阻R的變化。線圈骨架機(jī)械結(jié)構(gòu)的材料溫度特性，導(dǎo)致電感L1的變化。

由于銅導(dǎo)線電導(dǎo)率ρ隨溫度升高而增大傳感器探頭線圈電阻R1隨溫度升高而增大，R1∝ρ1（1+a1T）。

（2）被測體短路環(huán)損耗電阻R2的溫度特性。因被測金屬體在電渦流效應(yīng)下產(chǎn)生的短路環(huán)同樣存在電阻率的溫度影響，導(dǎo)致短路環(huán)電阻R2隨溫度而變化，R2∝ρ2（1+a2T）。

被測體短路環(huán)損耗電阻R2的變化將引起等效電感L和等效損耗電阻R的變化，對于調(diào)幅調(diào)頻式測量電路，這些變化將引起品質(zhì)因數(shù)和輸出頻率變化，最終影響輸出電壓變化。傳感器輸出電壓的高低要看電感L和電阻R升高程度的比值大小[2]。

（3）振蕩回路及其附屬電路參數(shù)的漂移使振蕩電路的品質(zhì)因素發(fā)生變化，使輸出電壓峰值出現(xiàn)漂移[3]。

2 現(xiàn)有補(bǔ)償溫度方法及缺點(diǎn)

由以上分析此可知，電渦流位移傳感器受溫度影響的因素幾乎包括傳感器系統(tǒng)的所有部件和材料。

目前這類傳感器現(xiàn)有的溫度補(bǔ)償硬件方法主要有：雙路差動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒ā⒕€圈串聯(lián)負(fù)溫度系數(shù)（NTC）電阻補(bǔ)償、無感線圈補(bǔ)償法、采用多股辮線降低線圈電阻法等。這種采用傳統(tǒng)的單一參數(shù)溫度補(bǔ)償，只能滿足一般的要求，若要精確測量，很難達(dá)到理想的效果。

如果采用溫度綜合補(bǔ)償法, 既能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抑制溫漂的能力，同時(shí)改善傳感器的線性關(guān)系。但是，目前已知的綜合補(bǔ)償方法主要采用源反饋電路、取樣電路，配套補(bǔ)償線圈的補(bǔ)償方法，原理較復(fù)雜，使用器件較多。在機(jī)組擺度監(jiān)測傳感器要求趨向一體化、小型化，最小一體化外形要求探頭直徑小于8mm，電路尺寸僅有6mm寬，長度不超過60mm，因此，已有綜合溫度補(bǔ)償方法方法不能用于制造體積要求小的機(jī)組擺度監(jiān)測傳感器，必須需找新的適用的小型化溫度補(bǔ)償方法。

3 機(jī)組振擺綜合溫度補(bǔ)償原理

圖1所示的發(fā)電機(jī)組擺度傳感器電路結(jié)構(gòu)，由溫度綜合補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、線性校正網(wǎng)絡(luò)、振蕩器、檢波器、濾波器、輸出級溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、放大電路、探頭線圈和被測體等構(gòu)成統(tǒng)一的整體（其中除被測金屬體和探頭線圈外，其余部分構(gòu)成前置檢測器）。

相對一般的前置檢測器，其在前置檢測器的線性校正網(wǎng)絡(luò)中增加了溫度綜合補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，而線性校正網(wǎng)絡(luò)是振蕩器的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，能夠綜合傳感器探頭的溫漂、被測金屬體的電磁參數(shù)溫漂以及前置檢測器振蕩器的溫度漂移等各種因素。

圖1 具有溫度綜合補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的擺度傳感器電路框圖

線性校正網(wǎng)絡(luò)的特性是當(dāng)電阻增大時(shí)，振蕩器的負(fù)反饋增強(qiáng)，傳感器輸出電壓減小；而當(dāng)電阻減小時(shí)，振蕩器的負(fù)反饋減弱，傳感器輸出電壓增大（如圖2所示）。

圖2 線性校正網(wǎng)絡(luò)阻值對輸出影響趨勢

而傳感器的輸出因各種參數(shù)的溫度漂移而發(fā)生變化（如圖3所示），當(dāng)溫漂升高時(shí)，輸出電壓增大，相當(dāng)于線性校正網(wǎng)絡(luò)的電阻減?。划?dāng)溫度降低時(shí)，輸出電壓減小，相當(dāng)于線性校正網(wǎng)絡(luò)的電阻增大。

圖3 溫度對輸出影響趨勢

結(jié)合以上線性調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)電阻值及溫度變化影響輸出電壓趨勢關(guān)系，當(dāng)溫漂升高時(shí)，通過將溫度綜合補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電阻增大，使線性校正網(wǎng)絡(luò)電阻增大；反之，當(dāng)溫度降低時(shí)，通過將溫度綜合補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電阻減小，使線性校正網(wǎng)絡(luò)的電阻減小；適當(dāng)調(diào)節(jié)溫度綜合補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的溫度補(bǔ)償系數(shù)，就可以補(bǔ)償傳感器的各位移點(diǎn)的溫度漂移，實(shí)現(xiàn)溫度綜合補(bǔ)償。

4 綜合溫度補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)

具體補(bǔ)償電路如圖4所示（圖中用虛線框?qū)⒏鞴δ芫W(wǎng)絡(luò)/電路分隔開）。

圖4 具有溫度綜合補(bǔ)償?shù)那爸脵z測器電路

前置檢測器電路包括溫度綜合補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Ⅰ、線性校正網(wǎng)絡(luò)Ⅱ、振蕩器Ⅲ、檢波器Ⅳ、濾波器Ⅴ、輸出級溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Ⅵ、放大電路Ⅶ等。溫度綜合補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Ⅰ與線性校正電阻R4串聯(lián)在一起,構(gòu)成新型線性校正網(wǎng)絡(luò)Ⅱ，是振蕩器的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的一部分。

綜合溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電路如圖5所示，線性校正網(wǎng)絡(luò)由濾波電感L1及可調(diào)電阻R4構(gòu)成，綜合溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)由線性正溫度系數(shù)熱敏電阻R1及溫度系數(shù)調(diào)節(jié)電阻R2構(gòu)成。

為實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的擺度傳感器綜合溫度補(bǔ)償，可以下按步驟操作：

（1）首先使R2=0Ω，獲取擺度傳感器線性校正網(wǎng)絡(luò)電阻R4與輸出電壓的非線性調(diào)節(jié)關(guān)系；

（2）通過溫度影響實(shí)驗(yàn)獲取擺度傳感器溫度與輸出關(guān)系；

（3）根據(jù)線性校正網(wǎng)絡(luò)的非線性調(diào)節(jié)關(guān)系和溫度—輸出關(guān)系，求出線性校正網(wǎng)絡(luò)電阻變化值與溫度的關(guān)系式：

圖5 綜合溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

（4）調(diào)節(jié)R2，使綜合溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的溫漂系數(shù)與所求得的值基本一致，如式5所示，即可獲得傳感器的綜合溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電阻匹配值；

（5）將綜合溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)與線性校正網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)在一起，構(gòu)成新型線性校正網(wǎng)絡(luò)；利用其非線性調(diào)節(jié)特性，即可動(dòng)態(tài)地改變擺度傳感器的溫度補(bǔ)償量，達(dá)到綜合溫度補(bǔ)償目的。

在完成綜合溫度補(bǔ)償后，最終進(jìn)行綜合的溫度影響度測試，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 溫度補(bǔ)償前后溫度影響度測試對比表

由表1中數(shù)據(jù)可見,利用綜合溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，可將傳感器的溫度漂移系數(shù)控制在較低的0.05%范圍內(nèi)，優(yōu)于JJG+644-2003+振動(dòng)位移傳感器檢定規(guī)程的0.1%/℃要求。

5 綜合溫度補(bǔ)償擺度傳感器驗(yàn)證

采用綜合溫度補(bǔ)償技術(shù)所研制的電渦流式發(fā)電機(jī)組擺度監(jiān)測傳感器于2015年3月5～7日，在新安江水電站進(jìn)行了國內(nèi)外傳感器對比實(shí)驗(yàn)。

具體實(shí)驗(yàn)方法是在新安江進(jìn)行9號機(jī)組上導(dǎo)X向安裝自制NEJ03002擺度傳感器，在上導(dǎo)Y向采用國外申克的擺度傳感器，擺度實(shí)際監(jiān)測獲得的波形如圖6所示，所監(jiān)測到的波形、波幅基本一致，其

圖6 新安江水電廠對比測試結(jié)果圖

中2.5Hz附近的基頻幅度自制NEJ03002擺度傳感器為35.5um，申克的擺度傳感器為37.2um，滿量程為2mm，相互之間互差小于0.1%FS?？梢姡捎镁C合溫度補(bǔ)償技術(shù)所研制的電渦流式發(fā)電機(jī)組擺度監(jiān)測傳感器測量效果完全到達(dá)國內(nèi)外相應(yīng)傳感器先進(jìn)水平。

6 結(jié)束語

采用在電渦流傳感器的線性校正網(wǎng)絡(luò)中增加一綜合溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，綜合補(bǔ)償傳感器探頭溫漂、被測金屬體的電磁參數(shù)溫漂以及前置檢測器振蕩電路器件溫度漂移等情況，解決了發(fā)電機(jī)組一體化、小型化擺度傳感器的綜合溫度補(bǔ)償技術(shù)難題。

對于不同的被測體，僅需要對綜合溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整即可達(dá)到相應(yīng)地補(bǔ)償，因而可適用于各類電渦流傳感器的綜合溫度補(bǔ)償，具備廣泛的實(shí)用性。

目前，已在松江河、豐滿水電站、富春江水電站等獲得實(shí)際應(yīng)用。

[1] 袁希光．傳感器技術(shù)手冊[M]．北京：國防工業(yè)出版社,1996．

[2] 王薇，曲昀卿，李娟，等．電渦流傳感器的溫度補(bǔ)償．傳感器與儀器儀表, 2008，24（6-1）：157-159．

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[4] 樊樹江,吳峻,楊光，等．電渦流傳感器溫度漂移分析及補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)．傳感器學(xué)報(bào)，2004（3）：427-430．

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羅孝兵（1973—），男，高級工程師，主要研究方向：監(jiān)測儀器與電力自動(dòng)化技術(shù)。E-mail：lxbrobin@163．com

王建勇（1963—），男，工程師，主要研究方向：水電廠自動(dòng)化監(jiān)控現(xiàn)場檢修技術(shù)。

藍(lán) 彥（1969—），男，高級工程師，主要研究方向：監(jiān)測儀器與電力自動(dòng)化技術(shù)。

A method for temperature comprehensive compensation of eddy current type pendulum monitoring sensor

LUO Xiaobing1, WANG Jianyong2, LAN Yan1, ZHENG Shuihua1（1 State Grid Electric Power Research Institute, Nanjing 211116,China; 2 Xin’An River Hydropower Plant Jiande Zhejiang 311600，China）

The generator set monitoring sensor requires more and more tend to the integration and miniaturization.Temperature compensation is needed for the eddy current sensor, which is mainly used for pendulum monitoring now, in order to achieve accurate measurement. A new temperature compensation method was proposed in this paper, which can compensate comprehensively the temperature drift for the eddy current displacement sensor. An integrated compensation network is added to the linear correction network. It can compensate all components of the sensor for temperature drift and its characteristics is of minimal use in devices and simple.

temperature drift; comprehensive compensation;eddy current; pendulum monitoring